我校郭光燦院士團隊在量子物理基礎研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、許金時、孫凱等人與意大利巴勒莫大學Rosario Lo Franco教授等國際合作者通過調控光子的空間不可分辨性，實現了量子相干性的生成，并展示了其在量子計量任務中的實際應用。該成果于5月20日發表在國際知名雜志《美國國家科學院院刊》上。
量子相干性是量子力學中最基礎的本質特性，它使得量子系統中會出現“薛定諤貓”等在經典視角下難以理解的現象。對于單粒子量子系統，量子相干性體現在系統處于計算基矢的疊加狀態；而對于多粒子量子系統，如果這些粒子是全同粒子，則即使沒有任何一個粒子處于相干疊加狀態，整個量子系統也可以存在相干性。這種相干性是由于全同粒子之間波函數的空間不可分辨性所導致的。然而，針對基于粒子不可分辨性的量子相干資源，其實驗研究面臨兩個問題：一是需要調控全同粒子之間的不可分辨性來生成具有不同相干度的量子資源，二是需要展示這種相干性在具體量子信息任務中的實際應用，從而證明它是物理上可用的量子資源，而不僅僅是描述全同粒子的特定數學形式的結果。
圖1.全同粒子系統的量子相干性及其在相位通道鑒別任務中的應用實驗原理示意圖
李傳鋒、許金時、孫凱等人近年來在光學系統中持續開展關于全同粒子不可分辨性的實驗研究，在前期已經實現了基于不可分辨性的量子糾纏制備及量子隱形傳態[Optics Letters 45, 6410 (2020)]。在本工作中，研究組在一個偏振–路徑混合編碼的雙光子系統中，發展了全同粒子波函數空間分布的按需調控技術，從而實現了一個可控的光子相干性合成器，生成的相干性最大的態的保真度達到98.8%。研究組進一步設計了一個相位鑒別任務，用來演示所生成的量子相干資源在量子計量學中的實際應用。實驗結果表明，基于全同粒子不可分辨性的量子相干性可以提高相位鑒別的成功幾率，并且能與基于單個粒子相干疊加的相干性同時存在，因此將在具體的量子信息任務中獲得應用。
圖2：相干性與不可分辨性定量關系的實驗結果。插圖為相干性最大的態的密度矩陣
該工作展現了全同粒子的不可分辨性可以作為一種量子資源進行物理應用，并提供了實驗調控不可分辨性的方法，從而為其在量子信息任務中的進一步應用打下了基礎。
審稿人高度評價該工作：“...what is really relevant is to prove a direct quantitative connection between coherence and spatial indistinguishability and the use of this coherence for metrological applications. Therefore, I believe that the results are really outstanding…”（證明相干性與不可分辨性之間存在定量的聯系，并將其應用于量子計量學任務中是一個重要的成果。因此我相信實驗結果的確很杰出。）
論文共同第一作者為中科院量子信息重點實驗室特任副研究員孫凱博士和博士研究生劉正昊。本研究得到科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省的支持。